贵州平塘射电望远镜FAST发现43颗脉冲星 张仲设计防雷系统守护“天眼”

位于贵州省平塘县的500米口径球面射电望远镜FAST是世界第一大单口径射电望远镜，被誉为中国“天眼”。它历经22年于2016年正式建成启用，开始接收来自宇宙深处的电磁波。至今，FAST望远镜已经发现43颗脉冲星，为我国天文观测做出了巨大的贡献。

正在建设中的FAST射电望远镜，两千多个促动器地锚基础相互连接后将组成防雷综合地网。

FAST望远镜所在的云贵高原是我国的雷电多发区，这里的全年雷暴天数是北京的近两倍，平均雷电强度是北京的3倍以上。要确保FAST望远镜正常运行，防雷十分关键。27岁的张仲作为总设计师带领团队担负起了“天眼”防雷系统的设计任务，在他们的精心保驾护航下，“天眼”投用以来，没有发生大面积雷击设备故障，没有对观测产生任何不良影响。在前不久由北京市科学技术研究院举办的第二届“创新大工匠”评选中，张仲也因此获得了“创新大工匠”的殊荣。

说起建筑物防雷，张仲笑道自己并非“科班”出身，当年他在军校读的是无线电移动通信技术专业。入学前，张仲在四川西昌某基地部队的供电部门工作，大学毕业后又回到了原单位。

位于川西南山区的西昌雷电密集，而部队设备系统的防雷设计又不可能完全依赖地方单位，必须自力更生，开展一些防雷研究。张仲说，当时供电部门会采取一些传统防雷措施，比如搭建避雷针，可这些办法只能对付直接雷，而一些感应雷还是可以在近地面产生高压静电场，从而间接击穿设备的。“当时为了防止设备被雷击坏，通信站遇到雷雨天气时只好将重要设备关机、拔线，这是无奈选择，但肯定不正常，部队是要随时准备打仗的，哪能让老天爷说了算。”

在军校读书期间，张仲系统学习了电磁场知识，这让他对雷电发生、破坏的机理有了更深入的了解。回到基地后，他主动请缨为通信站做了一套防雷设施，改进了线路接地，做了防感应雷的屏蔽，使得这座通信站的防雷能力大幅提高，“后来再出现雷雨天气时，我们悄悄地做了测试，没有关闭通信设备，证明防雷效果很好。”张仲说，这等于保下了这座通信站，它从此可以全天候运行。2006年张仲转业前还为通信站编写了一本防雷技术手册，受到部队官兵的高度认可。

2006年，张仲转业后加入北京万云科技开发有限公司。这是北京市气象局的直属企业，主要提供气象数据服务、气象气候灾害防御评价、防雷设施设计及施工等业务。防雷设计及施工业务正是最吸引张仲的地方，“尽管我刚来的时候，防雷这一块业务主要是面向普通建筑以及一些古建筑，但后来我们的业务得到拓展，向着雷达、望远镜等高科技设备领域发展。”他说。

很快张仲获得了小试身手的机会，当年下半年，正在实施的“探月工程”在北京密云和云南昆明建设了两座地面应用观测系统，需要布设防雷设施，万云公司承担了设计任务。这对张仲来说挑战不小，此前他见过最大的卫星接收天线直径也就十几米，可这两座天线口径分别达到50米和40米，“各种线缆交错，复杂程度超过了我的想象。”张仲介绍，留给他们的时间只有两三个月。为此，他和同事奔波于密云和昆明，经过反复测试，终于攻克了防范直击雷、闪电感应、闪电电涌等多种雷电危害的技术难题，让这两套设备顺利投入使用。

2007年汛期，两处设备都经受住了雷电的考验，当年10月“嫦娥一号”顺利发射升空，正常运行，张仲这才放下心来，“我们之前对客户的承诺是不会发生大面积雷电击穿，但最后这些防雷设施的表现好于我们的预期。”

张仲在FAST工地勘察防雷点位5天勘察上千个防雷点位

转眼到了2012年底，正在休假的张仲接到了公司的电话，要为正在建设的FAST射电望远镜做防雷设计。为此，公司成立了工作组，开始全力准备，当时参与项目竞争的还有四五家企业，张仲被公司任命为项目组总设计师。

按照要求，竞争企业“中标”前需要提交设计方案和思路，张仲亲自带队前往贵州的FAST施工现场，为设计方案进行实地勘察。这差事不轻松，从贵阳到FAST所在的平塘县克度镇大窝凼需要坐车5个多小时，而且最后7公里的路程还是只有拖拉机才能通行的机耕路。一路下来，大家都已经被颠得七荤八素。

按照设计，整个FAST需要布设2260个促动器，以便随时调整望远镜的主动反射面，最大限度收集宇宙电磁波，每个促动器都必须做好防雷保护。这些促动器均匀分布在望远镜的各块反射面板，这意味着勘察要跑遍整个窝凼。窝凼有多大？张仲告诉记者，它位于群山岙中，和望远镜尺寸相匹配，直径约500米，深约300米，“等于我们每天要爬N次百米高山。”张仲说。除此以外，望远镜的建设单位在附近的山顶还建设了一个测量基墩，也需要做防雷设计。上山几乎没有路，张仲带着同事用了4个小时才爬到山顶，获得了勘察参数。

就这样，张仲和同事仅用了5天时间，就完成了上千个点位的勘察，写出了1万多字的高质量的勘察报告。最终，他们击败了所有竞争对手，正式接手“天眼”的防雷设计。

张仲在百米高位置的测量基墩上勘察防雷点反其道而行破解防雷难题

张仲介绍，作为世界上最大的射电望远镜，FAST有上千个系统工艺结构，上万条电器线缆。如何防雷，国外没有任何标准可以参考。FAST所在的云贵高原又是雷电多发区，这里全年的雷暴天数是北京的近两倍，平均雷电强度是北京的3倍以上，防雷难度之大可想而知。

跟普通建筑设施不同，FAST的各主要结构都不是刚性连接的，而是通过索、轴、锚等进行柔性连接，一些专家此前很担心：如果雷击产生的强电流反复在这些连接组件上传导，会不会导致组件的性能下降?为此，项目组最早的设想是在围绕望远镜的六座百米高的馈源支撑塔上铺设避雷线。可问题随之而来，如果密集布设避雷线，就如同在望远镜上方编织了一个金属网，这会大大影响它接收电磁波信号的效果。

怎么办？张仲把自己关在屋子里想了好几天，终于豁然开朗，“我们总是考虑锁、链、轴承这些设备承受不了雷电带来的危害，可事实上它们就一定承受不住吗？为什么总在空中的馈源塔做文章，不去近地面想想办法。”他说，雷雨云底部多呈现负电荷，这样就会在6根均匀分布在上空公里级长度的馈源支撑索上感应正电荷；支撑索又会在500米口径主动反射面上感应负电荷，只要我们在主动反射面下方安装一张巨型综合地网，这样主动反射面就会在综合地网上感应等量的负电荷，正负电荷相互中和，不管在空间哪一层都形成一个相对稳定电荷面，避免在FAST馈源支撑索、主动反射面上发生剧烈雷暴。这样只需把防雷设计中心放在做好节点电气连接、设备等电位及接口电涌防护就可以了。